Schmitt-kynnys: Mikä se on ja miten se toimii?

Kenttä: Perus sähkötiede

China

Mikä on Schmitt-triggaari?

Schmitt-triggaari on vertailukenttä, jossa on hystereesi, joka toteutetaan soveltamalla positiivista palautetta vertailun ei-inversioon tai differentiaalivahvistimeen. Schmitt-triggaari käyttää kaksi eri kynnysarvoa jännite tason välttääksä häiriöitä syötejässä. Tämän kaksikynnysarvoisen toiminnon tunnetaan hystereesina.

Schmitt-triggaarin kehitti amerikkalainen tieteilijä Otto H Schmitt vuonna 1934.

Normaalilla vertailulla on vain yksi kynnyssignaali. Se vertailee kynnyssignaalia syötesignaalin kanssa. Mutta, jos syötesignaalissa on häiriö, se voi vaikuttaa ulostulossignaaliin. a schmitt trigger.png

Yllä olevassa kuvassa kohtien A ja B häiriöt johtavat siihen, että syötesignaali (V1) ylittää viitesignaalin (V2) tason. Tässä ajanjaksona V1 on pienempi kuin V2 ja ulostulo on matala.

Täten vertailun ulostulo on vaikutettu syötesignaalin häiriöistä. Vertailu ei ole suojattu häiriöiltä.

Nimi "Schmitt-triggaari" tulee siitä, että ulostulo säilyy samana, kunnes syöte muuttuu riittävästi "aktivoidakseen" muutoksen.

Miten Schmitt-triggaari toimii?

Schmitt-triggaari antaa oikeita tuloksia, vaikka syötesignaali olisikin häiriöinen. Se käyttää kahta kynnysjännitettä; toista on yläkynnysjännite (VUT) ja toista alakynnysjännite (VLT).

Schmitt-triggaarin ulostulo pysyy alhaisena, kunnes syötesignaali ylittää VUT:n. Kun syötesignaali ylittää tämän rajan VUT, Schmitt-triggaarin ulostulo pysyy korkeana, kunnes syötesignaali on VLT:n alapuolella.

Ymmärtäkäämme Schmitt-triggaarin toimintaa esimerkin avulla. Oletetaan, että alkuperäinen syöte on nolla.

Melunen vaikutus Schmittin kytkentässä

Oletamme tässä, että alkuperäinen syöte on nolla ja se kasvaa asteittain kuten yllä olevassa kuviossa näkyy.

Schmitt-kytkentän ulostulo pysyy alhaisena pisteeseen A asti. Pisteessä A syöte ylittää ylärajaksi (VUT) asetetun tason, mikä aiheuttaa korkean ulostulon.

Ulostulo pysyy korkeana pisteeseen B asti. Pisteessä B syöte menee alarajan alapuolelle, mikä saa ulostulon laskeutumaan alhaiseksi.

Ja jälleen, pisteessä C, kun syöte ylittää ylärajan, ulostulo on korkea.

Tässä tilanteessa voimme nähdä, että syöte on meluisa. Mutta melu ei vaikuta ulostuloon.

Schmittin kytkentä

Schmitt-kytkentä käyttää positiivista palautetta. Siksi tätä kytkentää kutsutaan myös uudelleenluodulle vertailukytkentäksi. Schmitt-kytkentä voidaan suunnitella Op-Amp - ja Transistor -avusteisesti. Se luokitellaan seuraavasti:

Op-Amp-pohjainen Schmitt-kytkentä
Transistoripohjainen Schmitt-kytkentä

Op-Amp-pohjainen Schmitt-kytkentä

Schmitt-kytkentä voidaan suunnitella Op-Ampilla kahdella tavalla. Jos syöte yhdistetään Op-Ampin käänteiseen pisteeseen, sitä kutsutaan käänteiseksi Schmitt-kytkentäksi. Jos taas syöte yhdistetään Op-Ampin epäkäänteiseen pisteeseen, sitä kutsutaan epäkäänteiseksi Schmitt-kytkentäksi.

Käänteinen Schmitt-kytkentä

Tässä tyyppisessä Schmitt-kynnyskytkentässä syöte annetaan vääntämisterminalille op-ampissa. Ja positiivinen palautus syötteestä ulostuloon.

Ymmärtäkäämme nyt, miten tämä piiri toimii. Pisteessä A jännite on V ja sovellettava jännite (syöttöjännite) on Vin. Jos sovellettava jännite Vin on suurempi kuin V, piirin ulostulo on alhainen. Ja jos sovellettava jännite Vin on pienempi kuin V, piirin ulostulo on korkea.

$V_{in} > V \quad V_{out} = V_L$

$V_{in} < V \quad V_{out} = V_H$

Lasketaan sitten yhtälö jännitteelle V.

Käyttämällä Kirchhoffin virran lakia (KCL),

$\frac{V-0}{R_1} + \frac{V-V_{out}}{R_2} = 0$

$\frac{V}{R_1} + \frac{V}{R_2} - \frac{V_{out}}{R_2} = 0$

$V(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}) = \frac{V_{out}}{R_2}$

$V (\frac{R_1 + R_2}{R_1 R_2}) = \frac{V_{out}}{R_2}$

$V = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{out}$

Oletetaan nyt, että Schmitt-kynnyskäytännön ulostulo on korkea. Tässä tilassa,

$V_{out} = V_H \quad and \quad V=V_1$

Joten yllä olevasta yhtälöstä;

$V_1 = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{H}$

Kun syöttösignaali on suurempi kuin V1, Schmitt-trigin ulostulo tulee alhaiseksi. Siksi V1 on yläkynnysjännite (VUT).

$V_{UT} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{H}$

Ulostulo pysyy alhaisena, kunnes syöttösignaali on pienempi kuin V. Kun Schmitt-trigin ulostulo on alhainen, tässä tilassa,

$V_{out} = V_L \quad and \quad V=V_2$

$V_2 = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{L}$

Nyt, ulostulo pysyy korkeana, kunnes syöttösignaali on pienempi kuin V2. Siksi V2 tunnetaan alakynnyksena (VLT).

$V_{LT} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{L}$

Ei-inversio Schmitt-triggeri

Ei-inversio Schmitt-triggereissä syöttösignaali annetaan vahvistimen ei-inversiotermiini. Positiivinen palautus kytketään ulostulosta syöttöön. Vahvistimen inversiotermi on yhdistetty maajohdintaan. Ei-inversio Schmitt-triggerin piirikaavio on alla olevassa kuvassa.

Tässä piirissä Schmitt-triggerin ulostulo on korkea, kun jännite V on suurempi kuin nolla. Ja ulostulo on matala, kun jännite V on pienempi kuin nolla.

$V>0 , V_{out} = V_H$

$V<0 , V_{out} = V_L$

Nyt etsitään jännite V:n yhtälö. Tämän tarkoituksena sovelletaan KCL:tä kyseiseen solmuun.

$\frac{V-V_{in}}{R_1} + \frac{V-V_{out}}{R_2} = 0$

$\frac{V}{R_1} - \frac{V_{in}}{R_1} + \frac{V}{R_2} - \frac{V_{out}}{R_2} = 0$

$V \left(\frac{R_1 + R_2}{R_1 R_2} \right) = \frac{V_{in}}{R_1} + \frac{V_{out}}{R_2}$

$V = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{out}$

Oletetaan nyt, että op-ampin ulostulo on alhainen. Tällöin Schmitt-kynnyskyvyn ulostulovoltti on VL. Ja voltti V on yhtä suuri kuin V1.

Tässä tilanteessa,

$V_{out} = V_L \quad and \quad V = V_1$

Yllä olevasta yhtälöstä seuraa,

$V_1 = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{L}$

Kun jännite V1 on suurempi kuin nolla, tuloste on korkea. Tässä tilanteessa,

$\frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} > - \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{L}$

$V_{in} > -\frac{R_1}{R_2} V_L$

Kun yllä oleva ehto on täytetty, tuloste on korkea. Siksi tämä yhtälö antaa yläkynnysjännitteen (VUT) arvon.

$V_{UT} = - \frac{R_1}{R_2} V_L$

Oletetaan, että Schmitt-kynnyskyvyn tuloste on korkea. Ja jännite V on yhtä suuri kuin V2.

$V_{out} = V_H \quad and \quad V = V_2$

Yhtälöstä jännite V.

$V2 = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{H}$

Schmitt-triggarin ulostulo menee alhaiseksi, kun jännite V2 on pienempi kuin nolla. Tässä tilanteessa,

$\frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} < - \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{H}$

$\[ V_{in} < -\frac{R_1}{R_2} V_H$

Yllä oleva yhtälö antaa alarajavoltan (VLT) arvon.

$V_{LT} = -\frac{R_1}{R_2} V_H$

Transistoripohjainen Schmitt-triggeri

Schmitt-triggerin piiri voidaan suunnitella kahden transistorin avulla. Transistoripohjaisen Schmitt-triggerin piirikaavio on annettu alla olevassa piirissa.

Vin = syöttöjännite
Vref = Viitejännite = 5V

Oletetaan, että alussa syöttöjännite Vin on nolla. Syöttöjännite annetaan transistorin T1 bensiiniin. Tässä tilanteessa transistori T1 toimii katkaisutilassa ja se pysyy sulkeneena.

Va ja Vb ovat solmujännitteitä. Viitejännite on 5V. Voimme siis laskea Va ja Vb:n arvot jännitejakoperiaatteen mukaan.

Jännite Vb annetaan transistori T2:n bensiiniin. Se on 1,98V. Siksi transistori T2 johtaa. Tämän vuoksi Schmitt-triggerin ulostulo on matala. Emitterissä on noin 0,7V pudotusta. Joten transistorin bensiinin jännite on 1,28V.

Transistorin T2 emitteri on yhdistetty transistorin T1 emitteriin. Siksi molemmat transistorit toimivat samalla tasolla 1,28V:ssa.

Tämä tarkoittaa, että transistori T1 toimii, kun syöttöjännite on 0,7V suurempi kuin 1,28V tai enemmän kuin 1,98V (1,28V + 0,7V).

Nyt lisäämme syöttöjännitettä yli 1,98V, ja transistori T1 alkaa johtaa. Tämä aiheuttaa transitorin T2 bensiinin jännitepudotuksen, ja se katkaisee transistorin T2. Tämän vuoksi Schmitt-triggerin ulostulo on korkea.

Syöttöjännite alkaa vähenemään. Transistori T1 katkeaa, kun syöttöjännite on 0,7V vähemmän kuin 1,98V, eli 1,28V. Tässä tilassa transistori T2 saa riittävän jänniten vertailujännitteestä, ja se kytketään päälle. Tämä tekee Schmitt-triggerin ulostulosta matalaksi.

Siksi tässä tilassa meillä on kaksi kynnystä, alhaisempi kynnyksetaso 1,28V:ssa ja korkeampi kynnyksetaso 1,98V:ssa.

Schmitt-triggerin oskillaattori

Schmitt-triggeria voidaan käyttää oskillaattorina yhdistämällä siihen yksi RC-integroitu piiri. Schmitt-triggerioskillaattorin piirikaavio on näkyvissä alla olevassa kuvassa.

Kuution ulostulo on jatkuva neliöaalto. Aaltomuodon taajuus riippuu R:n, C:n ja Schmitt Triggerin kynnysarvon arvoista.

$f = \frac{k}{RC}$

Missä k on vakio, joka on välillä 0,2 ja 1.

CMOS Schmitt Trigger

Yksinkertainen signaalinvertterisiru antaa vastakkaisen ulostulon kuin syöttösiru. Esimerkiksi, jos syöttösiru on korkea, ulostulosiru on alhainen yksinkertaiselle invertterille. Mutta jos syöttösiruun on häiriöitä (melua), ulostulosiru reagoi näihin häiriöihin. Tätä emme halua. Siksi käytetään CMOS Schmitt Triggeria.

Yksinkertaisen signaalinvertterisirun aaltomuoto

Ensimmäisessä aaltomuodossa syöttösiruun ei ole melua. Siksi ulostulo on täydellinen. Mutta toisessa kuvassa syöttösiruun on joitakin häiriöitä. Ulostulo reagoi myös näihin häiriöihin. Välttääksämme tämän tilanteen, käytetään CMOS Schmitt Triggeria.

Alla oleva piirikaavio näyttää CMOS Schmitt Triggerin rakenteen. CMOS Schmitt Trigger koostuu 6 transistorista, mukaan lukien PMOS- ja NMOS-transistorit.

Ensin meidän pitää tietää, mitä ovat PMOS- ja NMOS-transistorit. PMOS- ja NMOS-transistorien symbolit ovat alla olevassa kuvassa.

NMOS-transistori johtaa, kun VG on suurempi kuin VS tai VD. PMOS-transistori johtaa, kun VG on pienempi kuin VS tai VD. CMOS Schmitt Triggerissa yksi PMOS- ja yksi NMOS-transistori on lisätty yksinkertaiseen invertterisiruun.

Ensimmäisessä tapauksessa syötejännite on korkea. Tässä tilassa PN-transistori on päällä ja NN-transistori pois päältä. Se luo polun maan jännitteeseen solmun A:n kautta. Siksi CMOS Schmitt-trigin ulostulo on nolla.

Toisessa tapauksessa syötejännite on korkea. Tässä tilassa NN-transistori on päällä ja PN-transistori pois päältä. Se luo polun VDD (korkeaan) jännitteeseen solmun B:n kautta. Siksi CMOS Schmitt-trigin ulostulo on korkea.

Schmitt-trigin sovellukset

Schmitt-trigin sovellukset ovat seuraavat.

Schmitt-trigia käytetään sini- ja kolmionmuotoisten aaltojen muuntamiseen neliöaalloiksi.
Schmitt-trigien tärkein käyttötarkoitus on poistaa kohina digitaalisissa piireissä.
Sitä käytetään myös funktiogeneraattorina.
Sillä toteutetaan oskillaattori.
Schmitt-trigia yhdessä RC-piirin käytetään kytkimen värähtelyn poistamiseen.

Lähde: Electrical4u.

Lause: Kunnioita alkuperäistä, hyviä artikkeleita on arvokasta jakaa, jos on loukkausta, ota yhteyttä poistaaksesi.

Anna palkinto ja kannusta kirjoittajaa

Aiheet:

Säiekirja

Schmitt-kynnys

Asiasta asiantuntijat

Electrical4u

China

Asiantuntemusala

Basic Electrical

Ammatillinen artikkeli

607